基于单片机的磷酸铁锂电池组充放电电路设计

王宇野，庄锦涛

（闽南师范大物理与信息工程学院，福建漳州363000）

磷酸铁锂电池有体积小、重量轻、容量高、使用寿命长、无污染、无记忆效应等优点，得到了广泛应用[1].例如18650 和26650 等型号的磷酸铁锂电池组可以应用于充电宝，无线电台，卫星通讯定位仪，防盗报警器，铁路通讯后备锂电池，电动车等等.多个电池串联和并联形成的电池组，需要定期充放电，以使各个分电池保持均衡的特性.安全性高、充放电效果好的充放电电路对电池组充分发挥效能有很重要的意义，并可延长电池组的使用寿命[2-3].

1 主电路的方案设计

磷酸铁锂电池组的充放电电路要求能量可以双向流动，但传统的DC-DC 变换电路中能量通常只能单方向流动，这主要是因为开关管（如MOSFET，IGBT 等）只能处理单一方向上流过的能量，且主回路上装有不可控的二极管，导致能量只能一个方向流通.如果制作两个单向电能变换电路不但会让电路过于笨重，而且增加了制作的成本，降低系统可靠性.双向直流-直流(DC-DC)变换电路就在这样的背景下产生了，通过适当的控制，它可以让电能在两个方向都流动，相比直接制作两个单向电能变换电路，即降低了成本，又提高了效率[4].双向直流-直流变换电路之所以能让电能在两个方向上流动的原因是它用MOSFET开关管取代了二极管，让电流能在两个象限工作.

主电路选择不隔离型双向直流-直流变换电路，如图1所示.

图1 双向直流-直流变换电路Fig.1 Bidirectional DC-DC conversion circuit

当电路工作于正向降压方式时，SW作为主功率开关管，每个开关周期内，当SW导通时，SR关断，电源给电感L储能，同时向负载供电；当开关管SW关断时，SR导通，电感L释放能量给负载供电.此时能量由输入传递到输出.

当电路工作于反向升压方式时，SR作为主功率开关管，每个开关周期内，当SR导通时，SW关断，电感L储能；当SR关断时，SW导通，电感L向VS释放能量，此时能量由输出VO侧传递到输入VS侧.

由于续流过程中电流流过MOSFET 开关管和与MOSFET 并联的二极管，二极管和开关管是并联工作的，所以续流过程中导通压降低，损耗小，因此该电路也称为同步升降压电路.

2 系统硬件电路设计

以5节18650型磷酸铁锂电池串联组成的电池组为例来设计硬件电路.电路能实现的功能有：

1)充电和放电工作模式的切换.

2)充电时，电流可在0.9～1.5 A范围内调节，电流控制误差小于2%，充满后自动停止充电.

3)电路在充电和放电时的效率大于等于90%.

4)具有过压保护和过放电保护功能.系统的总体框图如图2所示，主要组成有：输入继电器、双向直流-直流变换电路、STC12C5A60S2 单片机，驱动器、辅助电源、按键、显示电路和电压、电流检测电路.

图2 系统的总体框图Fig.2 Overall block diagram of the system

2.1 主控电路

选用STC12C5A60S2单片机作为控制电路的核心，它能兼容51指令系统，指令周期短，处理器运算速度高，且其内部集成了10 位模数转换(ADC)模块和脉冲宽度调制(PWM)模块，因此它完全能够完成此次设计的数据处理任务[5].

2.2 MOSFET驱动电路

采用集成驱动芯片IR2104作为功率开关管的驱动电路，IR2104利用泵升电压原理，不需要隔离的电源，使用方便.

2.3 辅助电源电路

系统中采用LM7805作为辅助电源，LM7805是一款常用的三端稳压器，这款稳压集成电路结构简单应用广泛.其内部集成过载保护，结构成熟性能稳定，能为本系统提供5 V辅助电源.

2.4 电流和电压检测电路

电压电流检测电路是基于STC12C5A60S2单片机内部的高速A/D 转换器，充分利用单片机内部的硬件资源.数据采集器将电压电流量经分压或放大后，送到单片机进行A/D转换后变成数字量，随后再对数字量进行处理.

由于运放ΝE5534 需要正负电源供电，故这里选用ICL7660 电源转换芯片，将LM7805 输出的5 V 正电源转换为-5 V提供给ΝE5534.

电流检测电路如图3所示，电流传感器采用20 mΩ的采样电阻，电路的放大倍数为：A=1+R4/R1.

图3 电流检测电路Fig.3 Current detection circuit

单片机只能检测0～5 V的电压，而主电路的两端电压远大于5 V，因此这里就需要对这两端的电压进行分压和滤波，并在A/D转换器端口上加5.1 V的稳压管进行保护.

2.5 按键和显示电路

电路功能上需要五个按键，单片机的P2 口中的五个接口分别与这五个独立按键相接.按键的功能是：K1为充电/放电功能选择；K2为启动/停止；K3为设定充电停止电压、保护电压和放电电压选择；K4为增加充电电流；K5为减小充电电流.

显示电路使用12864点阵液晶显示模块，在液晶上显示六个内容，充放电状态，控制方式（恒压控制还是恒流控制），输入端电压VS，电池端电压VO，设定电流IS和实际电流IR.

3 软件设计

3.1 主程序设计

主程序中主要是处理一些对时间要求不高的计算，如按键检测，显示以及软件滤波等.除了硬件上的滤波电路外，程序设计上也加入了滤波，具体是将检测多次的数据进行排序、去掉误差大的值后再相加取平均值，这样可以提高测量精度.主程序流程图如图4所示，首先输入输出端口初始化，片内脉冲宽度调制电路、模数转换电路初始化，允许中断，然后对液晶显示器进行清屏和初始化.随后进入主循环程序，判断是否有按键按下，然后根据按键修改参数，进行数字滤波，显示测量的电压电流和设定的参数，程序返回判断是否有新的按键按下，如此反复.

图4 主程序流程图Fig.4 Main program flow chart

3.2 闭环控制程序设计

为了实现电流闭环控制，在ADC中断程序中执行PI算法控制，使得当电流、电压出现波动时，ADC检测到的数值的变化，并实时控制PWM 的输出占空比，实现电流闭环控制和电压闭环.ADC 中断程序框图如图5所示，首先清除中断标志和读取A/D 数值，然后通过判断更新标志寄存器判断是否更新PWM 宽度.如果更新PWM 宽度，则判断是电压反馈还是电流反馈，执行相应的程序计算更新后的PWM 宽度，更新标志寄存器清零，然后返回；如果不需要更新PWM宽度，则标志加1后返回.

图5 A/D转换器中断程序流程图Fig.5 A/D converter interrupt program flow chart

4 电路实验

4.1 电流控制精度测试

在双向直流-直流变换电路的输出VO端接上5 节18650 串联的电池组，在输入端接入直流电源.设定变换电路为充电模式，设定电池组在达到21 V 时停止充电.将充电电流IO在0.9～1.5 A 范围内设定7 个值，然后测量并记录电流实际值IR，计算电流控制精度（电流误差为其中IR为实际测量的充电电流，IS为设定的充电电流）.电流实际值采用6位半精度的数字式万用表测量，并保留3位小数，测量数据记录在表1中.电流误差最大值为0.692%，小于2%的设计要求.

表1电流控制精度测试表Tab.1 Current control accuracy test table

4.2 输入电压变化时的电流控制精度测试

下面测试输入电压变化时对充电电流的影响，设定充电电流IS=1 A，改变输入电压，测量充电电流.在电路处于充电工作模式时，调整数显可调线性电源的输出电压，使电源电压VS在25～31 V 之间变化时，测量实际充电电流IR的数值并记录于表2中.（电流误差为，其中IR和IS的意义同上）.误差最大值为0.5%，达到2%的设计要求.

表2输入电压变化时的电流控制精度表Tab.2 Accuracy table of current control when input voltage changes

4.3 充电效率的测试

设定电路工作在充电模式，设定充电电流IS=1 A，保持输入电压VS=30 V，实现对电池组的恒流充电并测试充电电流和输出电压，并计算效率后记录在表3中.（充电效率为其中VS为电源电压，IS为电源电流，VO为电池组电压，IR为实际充电电流）.充电时效率ηc=96.99%，满足大于90%的设计要求.

表3充电效率测试数据表Tab.3 Charging efficiency test data sheet

4.4 放电功能和放电时效率的测试

首先在电路输入端接入可变变阻器作为负载，设定电路为放电模式，并选择恒压供电模式，供电电压为30V，启动电路，电路对负载电阻进行的恒压供电并限制电池组的放电电流.放电效率为其中VS为放电电阻两端电压，IS为放电电阻的电流，VO为电池组电压，IR为实际放电电流.放电时的效率ηD=93.78%，满足大于90%的设计要求.

表4放电效率测试数据表Tab.4 Discharge efficiency test data sheet

4.5 过压保护测试

将电池组与滑动变阻器串联，设定为充电模式，充电电流为1.0 A，将滑动变阻器电阻值调到最小，关闭充满自动停止功能，开启变换电路，逐渐增大电阻的阻值，输出端电压开始增加，当电压达到24.5 V时，触发过压保护，此时关断两只开关管，断开输入继电器，变换器处于过压保护状态.

5 结论

所设计的充电器主电路采用双向直流-直流变换电路，控制电路的核心采用单片机STC12C5A60S2，并应用单片机自带A/D 转换和PWM 模块.实验证明了电路在充电状态时，主电路工作在降压斩波状态，并有较高的稳流精度，同时具有充满自动停止功能.在充放电电路为电池组放电时，主电路工作在升压状态，能输出27～30 V 的稳定电压并具有限制放电电流的功能.综合测试结果，所设计的磷酸铁锂充放电电路设计合理，功能齐全，能满足对电池组的充放电，并具有效率高，可靠性高的特点.